專利名稱：多模態生物顯微分析儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種顯微分析儀，具體涉及ー種多模態生物顯微分析儀。
背景技術：
隨著科學研究、醫療、生產對技術要求的提升，顯微成像和分析在疾病診斷和組織病理分析、新藥研發和藥理分析、環境監測和保護等領域都有強烈的應用需求。以傳統顯微鏡為主體和以人工觀察為主要工作方式的生物組織研究，分析手段単一，工作效率低下，已不能滿足高水平科學研究的需求。目前，市場上的顯微影像包括普通光學圖像顯微系統、熒光顯微成像系統和高光譜顯微成像系統，傳統光學照明的普通光學圖像應用最為廣泛，價格也最為低廉，但是其表征信息量也最少，只有形態學特征信息；熒光顯微成像的具有定向表征，動態表征的能力；·高光譜顯微技術能夠測試出樣本對不同波長光線的透射能力，從光源光譜維度上表征組織病理顯微特性；對接收光線進行不同譜段的響應分析，能夠更細致的從成像光譜上觀測其光譜特性，但是價格昂貴，限制了其發展。近年來，國內外在高光譜光源投射/反射照明以及熒光成像的光譜高光譜分析方面做了大量的研究。但是，集成了高光譜光源和熒光光譜分析的顯微系統在國內外尚未出現。本發明采用高光譜可控光源實現光譜顯微成像分析并作為熒光光源實現熒光表征，并通過可切換的突光濾光片實現傳統光學和突光顯微模式間的切換；通過可切換的光譜分光棱鏡配合線陣高感光冷CCD及其CCD線性掃描驅動裝置，實現樣本顯微成像的光譜分析和形態分析模式之間的切換。將高光譜成像技術，熒光成像技術與生物醫學顯微鏡緊密結合，實現形態學與對不同波段光譜響應結果的定性、定量研究的有機組合，為科研人員從生物組織和細胞切片層面來實現高分辨率、多維信息采集、處理與重建研究提供了新的輔助手段。
發明內容
—種多模態生物顯微分析儀，包括多模式顯微成像、高光譜突光光源系統和控制系統，多模式顯微成像系統用以自動進行圖像采集，并將采集到的圖像發送至控制系統；高光譜光源系統用以提供多模式顯微成像的寬光譜連續可調的光線條件；控制系統分別與多模式顯微成像連接，用以控制多模式顯微成像系統和高光譜光源系統的動作，并對多模式顯微成像系統采集到的圖像進行分析識別，以及，對識別結果進行存儲；多模式顯微成像系統進ー步包括切片連續裝載模塊用以對多切片進行自動切換、裝載、掃描，并進行編號和存儲；納米級多自由度載物臺模塊應以將切片通過高精密電機控制調節到合適的成像距離，控制成像像面基本保持在ー個水平基線上；線陣CCD掃描成像模塊用以控制CCD的積分時間和采集幀率等相關控制信號，控制CCD芯片采集合成相關光學圖像；顯微透鏡組用以實現切片在載物臺上的顯微成像；可切換吸收熒光濾光模塊用以切換調整光源輸出為高光譜，熒光光譜以及常規光譜輸出；光譜分光/聚焦模塊用以控制輸出的光譜動態范圍，實現多光譜的分光輸出；CCD線性掃描驅動模塊用以控制CCD的曝光時間、光學増益以及掃描間隔，與上位機通信，合理控制CXD成像條件；切片連續裝置裝載切片給載物臺，通過顯微透鏡組實現光路轉換，切換吸收熒光濾光模塊對進來的光線進行三種模式的切換，后端的光譜分光聚焦模塊實現光信號的分離，利用CCD線性掃描驅動和成像模塊，實現光線在CCD像元上的延時積分，輸出相關的采樣電信號合成相關圖像。·依照本發明較佳實施例所述的多模態生物顯微分析儀，該高光譜熒光光源系統包括高強度LED模塊、可切換熒光濾光模塊和光源模式切換控制模塊，其中，高強度LED模塊用以根據實驗環境調節LED強度來獲取合理的照度，實現整套光路系統的基礎照明。可切換熒光濾光模塊用以控制是否采取激發態光源，輸出熒光光源。光源模式切換控制模塊用以控制輸入光源為常規光源、突光光源和高光譜光源。其中，高強度LED模塊為主光源，為基礎的照明光源，光源模式切換控制模塊選擇合適的光源輸入，可切換突光濾光模塊控制突光光源的形成。依照本發明較佳實施例所述的多模態生物顯微分析儀，該控制系統包括智能控制子系統，智能控制子系統進一歩包括自適應運動連續對焦模塊用以通過電機控制自動載物臺的運動軌跡，實現載物臺的連續對焦，且運動軌跡為四自由度；切片運動同步控制模塊用以通過電機控制切片連續裝載模塊自動切換、裝載、掃描切片，實現切片的自動流水操作；TDI線陣掃描控制模塊用以控制CXD像元的延時積分時間，把電信號通過AD采
樣轉換為數字信號；光譜掃描控制模塊用以通過電機控制光源模式切換控制模塊、可切換突光濾光模塊、可切換吸收熒光濾光模塊、光譜分光/聚焦模塊轉換到合適的拍照模態。依照本發明較佳實施例所述的多模態生物顯微分析儀，該控制系統還包括信息處理子系統，信息處理子系統包括數據庫用以存儲分析得到的識別結果，識別結果具體包括組織特征和病理特征；多維信息分析與挖掘模塊用以對生物樣本切片和圖片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，選擇合適的通道處理相關樣本圖像，并將識別結果發送至數據庫；其進ー步包括快速識別單元用以對生物樣本切片和涂片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，確定樣本為生物組織涂片或生物病例切片，井根據識別結果將樣本圖像信息發送至生物組織涂片處理単元或生物病例切片處理單元；
生物組織涂片處理単元用以接收生物組織涂片樣本圖像信息，并對圖像進行處理后將識別結果發送至數據庫；生物病例切片處理單元用以接收生物病例切片樣本圖像信息，并對圖像進行處理后將識別結果發送至數據庫；組織切片遠程會診平臺模塊與數據庫連接，用以根據數據庫中相關組織特征和病理特征，利用遠程視頻會議系統，構建遠程會診平臺；系統安全模塊用以提供不同的注冊機制，提供管理員賬戶和普通操作員賬戶，給不同人員提供不同的操作權限；系統規范和標準擴展模塊用以提供可擴展的軟件和硬件接ロ，提供新功能模塊的接入機制。本發明將高光譜成像技木，熒光成像技術與生物醫學顯微鏡緊密結合，即能夠在 形態層次上觀察生物組織的結構，還能夠在光譜學層次上觀察生物組織細微組分的投射或投射影像，實現形態學與對不同波段光譜響應結果的定性、定量研究的有機組合。因此，利用該裝置對生物組織切片進行高分辨率、多維成像，能夠同時獲取觀測對象的圖像信息和光譜響應信息，能夠獲得比傳統的顯微成像方式更豐富的光學信息，這為科研人員從生物組織和細胞切片層面來實現高分辨率、多維信息采集、處理與重建研究提供了新的輔助手段。并且，単一設備集成多功能，無需使用多太設備，大大節約了成本。同時，本發明設計切片自動進給裝置，簡化了人工頻繁上片、取片的操作，從而實現了整個流程的自動化操作，滿足數字切片掃描儀無人值守工作的要求。另外，本系統采用先進的自適應判斷機制，先對識別的樣本圖像預處理，分析出識別的類型，進行選擇合適的通道來處理相關的樣本圖像，并且可以處理多種不同形狀、尺寸的生物組織切片，識別的顆粒尺寸區間較大，可以識別從riOOOum的樣本圖像，高精度的光學系數換算機制可以直接從圖像像素數換算為顆粒的實際尺寸。對于生物病例切片，本發明可統計肝臟纖維化所占的準確的面積因子，還可以計算出脂肪泡的面積因子，利用這兩項最直接的指標提出纖維化判別準則，該準則通過實驗測試和人工觀測的結果基本一致，并且該系統還可以處理肺癌切片等一系列的病例切片，識別的范圍較大。通過實驗得到本發明多模態生物顯微分析儀每百次生物組織顯微分析結果為其生物組織細胞計數偏差低于0. 75%，細胞活率偏差低于0. 9%，細胞壁厚分析偏差低于I. 25%，細胞形態圓率偏差低于I. 25%，識別速度快，識別精度高。綜上所述，與現有技術相比，本發明將高光譜成像技術，熒光成像技術與生物醫學顯微鏡緊密結合，實現高分辨率、多維信息采集，提供高質量樣本圖像，進而提高識別質量。并且采用自適應快速算法對樣本進行識別處理，進ー步保證了識別精度。因此，與現有技術相比，本發明具有識別精度高、識別速度快、操作簡單、降低勞動強度且節約成本的優點。
圖I為本發明多模態生物顯微分析儀的系統原理圖；圖2為本發明高光譜熒光光源系統的結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖，具體說明本發明。
請參閱圖I至圖2，ー種多模態生物顯微分析儀，包括多模式顯微成像、高光譜熒光光源系統和控制系統，多模式顯微成像系統用以自動進行圖像采集，并將采集到的圖像發送至控制系統；高光譜光源系統用以提供多模式顯微成像的寬光譜連續可調的光線條件；控制系統分別與多模式顯微成像連接，用以控制多模式顯微成像系統和高光譜光源系統的動作，并對多模式顯微成像系統采集到的圖像進行分析識別，以及，對識別結果進行存儲；多模式顯微成像系統進一歩包括線陣CXD掃描成像模塊I :用以控制CXD的積分時間和采集幀率等相關控制信號，控制CXD芯片采集合成相關光學圖像。通過FPGA輸出相關時序，控制CCD的積分時間和采集幀率等相關控制信號，控制CXD芯片采集合成相關光學圖像。C⑶線性掃描驅動模塊2 :用以控制CXD的曝光時間、光學増益以及掃描間隔，與上位機通信，合理控制CXD成像條件；
·
控制CXD的曝光時間、光學増益以及掃描間隔，跟上位機接ロ，合理控制CXD成像條件。光譜分光/聚焦模塊3 :用以控制輸出的光譜動態范圍，實現多光譜的分光輸出；通過分光棱鏡，控制輸出的光譜動態范圍，實現多光譜的分光輸出。切片連續裝載模塊4:用以對多切片進行自動切換、裝載、掃描，并進行編號和存儲 采用自動流水線技術，實現數字切片無人值守自動掃描、編號和存儲。采用切片的自動裝載技術，完成多切片的自動切換、裝載、掃描，既提高切片掃描速度，又能避免人工裝載對切片造成的損傷。可切換吸收熒光濾光模塊5 :用以切換調整光源輸出為高光譜，熒光光譜以及常規光譜輸出；通過切換調整光源輸出為高光譜，熒光光譜以及常規光譜輸出。納米級多自由度載物臺模塊6 :應以將切片通過高精密電機控制調節到合適的成像距離，控制成像像面基本保持在ー個水平基線上；可精確控制行程的四自由度自動載物裝置，把切片通過高精密電機控制調節到合適的成像距離，可以控制成像像面基本保持在ー個水平基線上。顯微透鏡組7 :用以實現切片在載物臺上的顯微成像。具體包含物鏡，目鏡，管鏡，準直鏡，實現切片在載物臺上的顯微成像。切片連續裝置裝載切片給載物臺，通過顯微透鏡組實現光路轉換，切換吸收熒光濾光模塊對進來的光線進行三種模式的切換，后端的光譜分光聚焦模塊實現光信號的分離，利用CCD線性掃描驅動和成像模塊，實現光線在CCD像元上的延時積分，輸出相關的采樣電信號合成相關圖像。本發明采用高光譜可控光源實現光光譜顯微成像分析并作為熒光光源實現熒光表征，并通過可切換的熒光濾光片實現傳統光學和熒光顯微模式間的切換；通過可切換的光譜分光棱鏡配合線陣高感光冷CCD及其CCD線性掃描驅動裝置，實現樣本顯微成像的光譜分析和形態分析模式之間的切換。高光譜熒光光源系統包括高強度LED模塊、可切換熒光濾光模塊和光源模式切換控制模塊，其中，高強度LED模塊用以根據實驗環境調節LED強度來獲取合理的照度，實現整套光路系統的基礎照明。可切換熒光濾光模塊用以控制是否采取激發態光源，輸出熒光光源。光源模式切換控制模塊用以控制輸入光源為常規光源、突光光源和高光譜光源。其中，高強度LED模塊為主光源，為基礎的照明光源，光源模式切換控制模塊選擇合適的光源輸入，可切換突光濾光模塊控制突光光源的形成。控制系統包括智能控制子系統和信息處理子系統，智能控制子系統進一歩包括自適應運動連續對焦模塊用以通過電機控制自動載物臺的運動軌跡,實現載物·臺的連續對焦，且運動軌跡為四自由度；切片運動同步控制模塊用以通過電機控制切片連續裝載模塊自動切換、裝載、掃描切片，實現切片的自動流水操作；TDI線陣掃描控制模塊用以控制CXD像元的延時積分時間，把電信號通過AD采
樣轉換為數字信號；光譜掃描控制模塊用以通過電機控制光源模式切換控制模塊、可切換突光濾光模塊、可切換吸收熒光濾光模塊、光譜分光/聚焦模塊轉換到合適的拍照模態。信息處理子系統包括數據庫用以存儲分析得到的識別結果，識別結果具體包括組織特征和病理特征；多維信息分析與挖掘模塊用以對生物樣本切片和圖片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，選擇合適的通道處理相關樣本圖像，并將識別結果發送至數據庫；其進ー步包括快速識別單元用以對生物樣本切片和涂片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，確定樣本為生物組織涂片或生物病例切片，井根據識別結果將樣本圖像信息發送至生物組織涂片處理単元或生物病例切片處理單元。生物組織涂片處理単元用以接收生物組織涂片樣本圖像信息，并對圖像進行處理后將識別結果發送至數據庫。生物病例切片處理單元用以接收生物病例切片樣本圖像信息,并對圖像進行處理后將識別結果發送至數據庫。組織切片遠程會診平臺模塊與數據庫連接，用以根據數據庫中相關組織特征和病理特征，利用遠程視頻會議系統，構建遠程會診平臺。系統安全模塊用以提供不同的注冊機制，提供管理員賬戶和普通操作員賬戶，給不同人員提供不同的操作權限。系統規范和標準擴展模塊用以提供可擴展的軟件和硬件接ロ，提供新功能模塊的接入機制。具體地，本發明通過智能圖像分割，自動識別有特定意義的圖像成分，解剖結構和其他感興趣的域。同時，生物組織多維信息圖像，如熒光圖像、和多光譜分析圖像，本發明將相對應的組織結構融合在一起，往往能夠獲得更加豐富和有意義的信息。并且，本發明還采用AMIRA軟件和3DSMAX，分別對初始醫學圖像三維模型進行網格重建和網格平滑處理，從而提高生物組織細胞三維模型的清晰程度。 以上所述，僅是本發明的較佳實施實例而已，并非對本發明做任何形式上的限制，任何未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施實例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬于本發明技術方案的范圍。·
權利要求
1.一種多模態生物顯微分析儀,其特征在于,包括多模式顯微成像、高光譜突光光源系統和控制系統，所述多模式顯微成像系統用以自動進行圖像采集，并將采集到的圖像發送至所述控制系統；所述高光譜光源系統用以提供多模式顯微成像的寬光譜連續可調的光線條件；所述控制系統分別與所述多模式顯微成像連接，用以控制所述多模式顯微成像系統和高光譜光源系統的動作，并對所述所述多模式顯微成像系統采集到的圖像進行分析識另IJ，以及，對識別結果進行存儲；所述多模式顯微成像系統進一步包括 切片連續裝載模塊用以對多切片進行自動切換、裝載、掃描，并進行編號和存儲； 納米級多自由度載物臺模塊應以將切片通過高精密電機控制調節到合適的成像距離，控制成像像面基本保持在一個水平基線上； 線陣CCD掃描成像模塊用以控制CCD的積分時間和采集幀率等相關控制信號，控制CCD芯片采集合成相關光學圖像； 顯微透鏡組用以實現切片在載物臺上的顯微成像； 可切換吸收熒光濾光模塊用以切換調整光源輸出為高光譜，熒光光譜以及常規光譜輸出； 光譜分光/聚焦模塊用以控制輸出的光譜動態范圍，實現多光譜的分光輸出； CCD線性掃描驅動模塊用以控制CCD的曝光時間、光學增益以及掃描間隔，與上位機通信，合理控制CXD成像條件； 所述切片連續裝置裝載切片給載物臺，通過顯微透鏡組實現光路轉換，切換吸收熒光濾光模塊對進來的光線進行三種模式的切換，后端的光譜分光聚焦模塊實現光信號的分離，利用CCD線性掃描驅動和成像模塊，實現光線在CCD像元上的延時積分，輸出相關的采樣電信號合成相關圖像。
2.如權利要求I所述的多模態生物顯微分析儀，其特征在于，所述高光譜熒光光源系統包括高強度LED模塊、可切換熒光濾光模塊和光源模式切換控制模塊，其中， 所述高強度LED模塊用以根據實驗環境調節LED強度來獲取合理的照度，實現整套光路系統的基礎照明。
可切換熒光濾光模塊用以控制是否采取激發態光源，輸出熒光光源。
光源模式切換控制模塊用以控制輸入光源為常規光源、熒光光源和高光譜光源。其中，高強度LED模塊為主光源，為基礎的照明光源，光源模式切換控制模塊選擇合適的光源輸入，可切換突光濾光模塊控制突光光源的形成。
3.如權利要求I所述的多模態生物顯微分析儀，其特征在于，所述控制系統包括智能控制子系統，所述智能控制子系統進一步包括 自適應運動連續對焦模塊用以通過電機控制自動載物臺的運動軌跡，實現載物臺的連續對焦，且運動軌跡為四自由度； 切片運動同步控制模塊用以通過電機控制切片連續裝載模塊自動切換、裝載、掃描切片，實現切片的自動流水操作； TDI線陣掃描控制模塊用以控制CXD像元的延時積分時間，把電信號通過AD采樣轉換為數字信號； 光譜掃描控制模塊用以通過電機控制光源模式切換控制模塊、可切換熒光濾光模塊、可切換吸收熒光濾光模塊、光譜分光/聚焦模塊轉換到合適的拍照模態。
4.如權利要求I所述的多模態生物顯微分析儀，其特征在于，所述控制系統還包括信息處理子系統，所述信息處理子系統包括 數據庫用以存儲分析得到的識別結果，所述識別結果具體包括組織特征和病理特征； 多維信息分析與挖掘模塊用以對生物樣本切片和圖片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，選擇合適的通道處理相關樣本圖像，并將識別結果發送至所述數據庫；其進一步包括 快速識別單元用以對生物樣本切片和涂片圖像進行自適應快速算法分析識別樣本類型，確定樣本為生物組織涂片或生物病例切片，并根據識別結果將樣本圖像信息發送至所述生物組織涂片處理單元或生物病例切片處理單元； 生物組織涂片處理單元用以接收生物組織涂片樣本圖像信息，并對圖像進行處理后將識別結果發送至所述數據庫； 生物病例切片處理單元用以接收生物病例切片樣本圖像信息，并對圖像進行處理后將識別結果發送至所述數據庫； 組織切片遠程會診平臺模塊與所述數據庫連接，用以根據數據庫中相關組織特征和病理特征，利用遠程視頻會議系統，構建遠程會診平臺； 系統安全模塊用以提供不同的注冊機制，提供管理員賬戶和普通操作員賬戶，給不同人員提供不同的操作權限； 系統規范和標準擴展模塊用以提供可擴展的軟件和硬件接口，提供新功能模塊的接入機制。
全文摘要
一種多模態生物顯微分析儀，包括多模式顯微成像、高光譜熒光光源系統和控制系統，多模式顯微成像系統用以自動進行圖像采集，并將采集到的圖像發送至控制系統；高光譜光源系統用以提供多模式顯微成像的寬光譜連續可調的光線條件；控制系統分別與多模式顯微成像連接，用以控制多模式顯微成像系統和高光譜光源系統的動作，并對多模式顯微成像系統采集到的圖像進行分析識別。本發明具有識別精度高、識別速度快操作簡單、降低勞動強度且節約成本的優點。
文檔編號G01N21/27GK102788756SQ201210244228
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者張卿卿, 戚進, 谷朝臣, 黃海清 申請人:上海凱度機電科技有限公司